上海大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)課件-第十章齒輪傳動

1、10-1概述 10-2齒輪傳動的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 10-3 齒輪的材料及其選擇原則 10-4 齒輪傳動的計(jì)算載荷 10-5 標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動的強(qiáng)度計(jì)算 10-6 齒輪傳動的設(shè)計(jì)參數(shù)、許用應(yīng)力與精度選擇 10-7 標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪傳動的強(qiáng)度計(jì)算 10-8 標(biāo)準(zhǔn)錐齒輪傳動的強(qiáng)度計(jì)算 10-9 變位齒輪傳動的強(qiáng)度計(jì)算 10-10齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10-11齒輪傳動的潤滑 10-12圓弧齒圓柱齒輪傳動簡介,第十章 齒輪傳動,10-1概述,一、齒輪傳動的主要特點(diǎn)： 二、齒輪傳動的分類 三、本章的學(xué)習(xí)目的,一、齒輪傳動的主要特點(diǎn),：,傳動效率高可達(dá)99。在常用的機(jī)械傳動中，齒輪傳動的效率為最高； 結(jié)構(gòu)

2、緊湊與帶傳動、鏈傳動相比，在同樣的使用條件下，齒輪傳動所需 的空間一般較??； 與各類傳動相比，齒輪傳動工作可靠，壽命長； 傳動比穩(wěn)定無論是平均值還是瞬時值。這也是齒輪傳動獲得廣泛應(yīng)用的原因之一； 與帶傳動、鏈傳動相比，齒輪的制造及安裝精度要求高，價格較貴。,齒輪傳動是機(jī)械傳動中最重要的傳動之一，其應(yīng)用范圍十分廣泛，型式多樣，傳遞功率從很小到很大（可高達(dá)數(shù)萬千瓦）。主要特點(diǎn)：,二、齒輪傳動的分類,按齒輪類型分：直齒圓柱齒輪傳動、斜齒圓柱齒輪傳動 錐齒輪傳動人字齒輪傳動,按裝置形式分：開式傳動、半開式傳動、閉式傳動。,按使用情況分： 動力齒輪以動力傳輸為主，常為高速重載或低速重載傳動。 傳動齒輪以

3、運(yùn)動準(zhǔn)確為主，一般為輕載高精度傳動。,按齒面硬度分：軟齒面齒輪（齒面硬度350HBS） 硬齒面齒輪（齒面硬度350HBS）,三、本章的學(xué)習(xí)目的,本章學(xué)習(xí)的根本目的是掌握齒輪傳動的設(shè)計(jì)方法，也就是要能夠根據(jù)齒輪工作條件的要求，能設(shè)計(jì)出傳動可靠的齒輪。 設(shè)計(jì)齒輪是指設(shè)計(jì)確定齒輪的主要參數(shù)以及結(jié)構(gòu)形式。 對于圓柱齒輪而言，其主要參數(shù)有：模數(shù)m、齒數(shù)z、螺旋角以及壓力角a、 齒高系數(shù)h*a、徑向間隙系數(shù)c*等。,10-2齒輪傳動的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,一、失效形式 二、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,一、失效形式,由于齒輪其它部分（齒圈、輪輻、輪轂等）通常是經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的，其尺寸對于強(qiáng)度和剛度而言均較富裕，實(shí)踐中也極少失效。所以

4、齒輪傳動的失效主要是指輪齒的失效，其失效形式是多種多樣的。常見的失效形式有 1、輪齒折斷 2、齒面磨損 3、齒面點(diǎn)蝕 4、齒面膠合 5、塑性變形,1、輪齒折斷,過載折斷 彎曲疲勞折斷 折斷原因： 齒根彎曲應(yīng)力大； 齒根應(yīng)力集中,措施： 增大齒根圓角半徑，消除加工刀痕； 增大支撐剛度，是輪齒受力均勻 采用合適的熱處理方法使齒芯材料具有足夠的韌性 正變位，增大模數(shù)； 強(qiáng)化處理：噴丸、滾壓處理,2、齒面磨損,砂粒、金屬屑 措施：加強(qiáng)潤滑；開式改閉式傳動,3、齒面點(diǎn)蝕,輪齒在節(jié)圓附近一對齒受力（單嚙區(qū)） 載荷大；滑動速度低形成油膜條件差； 接觸疲勞產(chǎn)生的小裂紋-擴(kuò)展-脫落-凹坑 點(diǎn)蝕發(fā)生的位置：首先出

5、現(xiàn)在靠近節(jié)線的齒根面上 措施： 提高材料的硬度； 加強(qiáng)潤滑，提高油的粘度 開式傳動一般不發(fā)生點(diǎn)蝕失效,4、齒面膠合,高速重載；散熱不良； 滑動速度大； 齒面粘連后撕脫,措施： 減小模數(shù)，降低齒高； 抗膠合能力強(qiáng)的潤滑油； 材料的硬度及配對,5、塑性變形,措施：材料的選擇及硬度,輪齒的失效形式總結(jié),彎曲折斷,磨損,塑性變形,現(xiàn)象與原因？ 改進(jìn)措施？,二 齒輪的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,對一般工況下的齒輪傳動，其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是： 保證足夠的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，以免發(fā)生齒根折斷。 保證足夠的齒面接觸疲勞強(qiáng)度，以免發(fā)生齒面點(diǎn)蝕。 對高速重載齒輪傳動，除以上兩設(shè)計(jì)準(zhǔn)則外，還應(yīng)按齒面抗膠合能力的準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)。 由實(shí)踐得知： 閉

6、式軟齒面齒輪傳動，以保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度為主。 閉式硬齒面或開式齒輪傳動，以保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度為主。 對開式齒輪傳動，目前僅按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，視具體情況適當(dāng)增大模數(shù)。（15%）,10-3 齒輪的材料及其選擇原則,一、對齒輪材料性能的要求 二、常用的齒輪材料 三、齒輪材料選用的基本原則,一、對齒輪材料性能的要求,齒輪的齒體應(yīng)有較高的抗折斷能力，齒面應(yīng)有較強(qiáng)的抗點(diǎn)蝕、抗磨損和較高的抗膠合能力，即要求：齒面硬、芯部韌。,二、常用的齒輪材料,1、鋼：許多鋼材經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚砘虮砻嫣幚恚梢猿蔀槌Ｓ玫凝X輪材料； 2、鑄鐵：常作為低速、輕載、不太重要的場合的齒輪材料； 3、非金屬材料：適用于高速

7、、輕載、且要求降低噪聲的場合。,1、鋼,1） 鍛鋼 經(jīng)熱處理后切齒的齒輪所用的鍛鋼。對強(qiáng)度、速度及精度要求不高的齒輪其精度一般為8級，精切時可達(dá)7級。軟齒面（硬度 350HBS） 需進(jìn)行精加工的齒輪所用的鍛鋼。高速、重載及精密機(jī)器（如精密機(jī)床、航空發(fā)動機(jī)）所用的主要齒輪傳動。一般先切齒，再作表面硬化處理，最后進(jìn)行精加工，精度可達(dá)5級或4級。硬齒面（硬度 350HBS） 2）鑄鋼 耐磨性和強(qiáng)度均較好，常用于尺寸較大的齒輪。,三、齒輪材料選用的基本原則,1、齒輪材料必須滿足工作條件的要求，如強(qiáng)度、壽命、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等； 2、應(yīng)考慮齒輪尺寸大小，毛坯成型方法及熱處理和制造工藝； 3、正火碳鋼，不論

8、毛坯的制作方法如何，只能用于制作載荷平穩(wěn)或輕度沖擊下工作的齒輪。不承受大的沖擊載荷；調(diào)質(zhì)碳鋼可用于制作在中等沖擊載荷下工作的齒輪； 4、合金鋼常用于制作高速、重載并在沖擊載荷下工作的齒輪； 5、飛行器中的齒輪，要求尺寸小，應(yīng)用表面硬化的高強(qiáng)度合金鋼； 6、金屬制的軟齒面齒輪，配對兩輪齒面硬度差應(yīng)保持為3050HBS或更多。,10-4 齒輪傳動的計(jì)算載荷,齒輪傳動強(qiáng)度計(jì)算中所用的載荷，通常取沿齒面接觸線單位長度上所受的載荷，即：,Fn 為輪齒所受的公稱法向載荷。 實(shí)際傳動中由于原動機(jī)、工作機(jī)性能的影響以及制造誤差的影響，載荷會有所增大，且沿接觸線分布不均勻。,接觸線單位長度上的最大載荷為：,K為

9、載荷系數(shù)，其值為：KKA Kv K K,載荷系數(shù)K,式中：KA 使用系數(shù) Kv 動載系數(shù) K齒間載荷分配系數(shù) K齒向載荷分布系數(shù),KA 使用系數(shù),用以考慮齒輪系統(tǒng)外部原因引起的動力過載。由表10-2選取。,Kv 動載系數(shù),用以考慮由齒輪副本身的嚙合誤差引起的內(nèi)部動力過載。由圖10-8查取。,K齒向載荷分布系數(shù),考慮沿齒寬方向載荷分布不均勻影響的系數(shù)。由表10-4（接觸強(qiáng)度）圖10-13（彎曲強(qiáng)度）查取。,10-5 標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動的強(qiáng)度計(jì)算,一、輪齒的受力分析 二、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算 三、齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 四、齒輪傳動的強(qiáng)度計(jì)算說明,K齒間載荷分配系數(shù),考慮同時嚙合的各對輪齒間載荷分

10、配不均勻的影響系數(shù)。由表10-3查取。,一、輪齒的受力分析,以節(jié)點(diǎn) P 處的嚙合力為分析對象，并不計(jì)嚙合輪齒間的摩擦力，可得：,主動輪上與轉(zhuǎn)向相反； 從動輪上與轉(zhuǎn)向相同,指向各自輪心,沿公法線方向,二、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算,中等精度齒輪傳動的彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的力學(xué)模型如下圖所示。 根據(jù)該力學(xué)模型可得齒根理論彎曲應(yīng)力,取h=Khm S=Ksm，接觸線長度L即為齒寬b，得：,二、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算,計(jì)入齒根應(yīng)力校正系數(shù)Ysa后，強(qiáng)度條件式為：,引入齒寬系數(shù)，可得：,YFa為齒形系數(shù)，是僅與齒形有關(guān)而與模數(shù)m無關(guān)的系數(shù)，取決于齒數(shù)和變位系數(shù)。P197表10-5,令：,校核式,設(shè)計(jì)式,三、齒面接觸疲

11、勞強(qiáng)度計(jì)算,1、基本公式赫茲應(yīng)力計(jì)算公式，即:,2、在節(jié)點(diǎn)嚙合時，接觸應(yīng)力較大，故以節(jié)點(diǎn)為接觸應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)。,3、齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核式：,4、齒面接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)式：,節(jié)點(diǎn)處的綜合曲率半徑為：,上述式中：u齒數(shù)比，u=z2/z1； ZE 彈性影響系數(shù)；ZH 區(qū)域系數(shù)；,ZE 彈性影響系數(shù)（P198表10-6）,ZH 區(qū)域系數(shù),四、齒輪傳動的強(qiáng)度計(jì)算說明,1、彎曲強(qiáng)度計(jì)算中，因大、小齒輪的F 、YFa、YSa 值不同，故按此強(qiáng)度準(zhǔn)則設(shè)計(jì)齒輪傳動時，公式中應(yīng)代 和 中較小者。 2、接觸強(qiáng)度計(jì)算中，因兩對齒輪的H1= H2 ，故按此強(qiáng)度準(zhǔn)則設(shè)計(jì)齒輪 傳動時，公式中應(yīng)代H 1和H 2中較小者。,四

12、、齒輪傳動的強(qiáng)度計(jì)算說明,3、用設(shè)計(jì)公式初步計(jì)算齒輪分度圓直徑d1(或模數(shù)mn)時，因載荷系數(shù)中的 KV、K、K不能預(yù)先確定，故可先試選一載荷系數(shù)Kt。算出d1t(或 mnt） 后，用d1t再查取KV、K、K從而計(jì)算Kt 。若K與Kt接近，則不必修改原 設(shè)計(jì)。否則，按下式修正原設(shè)計(jì)。,10-6 齒輪傳動設(shè)計(jì)參數(shù)、許用應(yīng)力與精度選擇,一、齒輪傳動設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇 二、齒輪傳動的許用應(yīng)力 三、齒輪精度的選擇,一、齒輪傳動設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇,1壓力角a的選擇 一般情況下取a =20 2齒數(shù)的選擇：當(dāng)d1已按接觸疲勞強(qiáng)度確定時，,一般情況下，閉式齒輪傳動: z1=2040 開式齒輪傳動: z1=1720 z

13、2=uz1,3齒寬系數(shù)d的選擇 b1=b2+(510)mm,z1,m,重合度e,傳動平穩(wěn),抗彎曲疲勞強(qiáng)度降低,齒高h(yuǎn) ,減小切削量、減小滑動率,因此，在保證彎曲疲勞強(qiáng)度的前提下，齒數(shù)選得多一些好！,d 齒寬b 有利于提高強(qiáng)度，但d過大將導(dǎo)致K,fd的選取可參考齒寬系數(shù)表,二、齒輪傳動的許用應(yīng)力,1、許用應(yīng)力計(jì)算公式： 齒輪國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的許用應(yīng)力是用齒輪試件進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)獲得的持久極限應(yīng)力,失效概率為1%。試件的參數(shù)為m=3-5mm,a=20 齒寬b=10-50mm, v=10m/s，齒根圓角粗糙度參數(shù)值平均為10mm。設(shè)計(jì)時應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修正。,2、式中各參數(shù)的含義,1）S疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)

14、對接觸強(qiáng)度：由于點(diǎn)蝕后只引起噪聲、振動，并 不導(dǎo)致工作后果。則SH=S=1 對彎曲強(qiáng)度：一旦發(fā)生斷齒，就會引發(fā)事故， 則SF=S=1.251.5 2、KN考慮應(yīng)力循環(huán)次數(shù)影響的系數(shù)，稱為壽命系數(shù)。 對彎曲強(qiáng)度KFN查圖10-18；對接觸強(qiáng)度KHN查圖10-19 圖中N=60njLh Lh=工作年限*年天數(shù)*班次*班工作時間 3、lim 齒輪材料疲勞極限應(yīng)力（圖10-20，21） 對彎曲強(qiáng)度lim=FE(圖10-20）= Flim*YST，對稱循環(huán)的極限應(yīng)力值僅為脈動循環(huán)應(yīng)力的70%。,三、齒輪精度的選擇,齒輪精度共分12級，1級精度最高，第12級精度最低。 精度選擇是以傳動的用途，使用條件，傳

15、遞功率，圓周速度等為依據(jù)來確定。,標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪設(shè)計(jì)過程,例題P209211,10-7 標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪傳動的強(qiáng)度計(jì)算,一、受力分析 二、計(jì)算載荷 三、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算 四、齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算,一、受力分析（大?。?由于Fatanb，為了不使軸承承受的軸向力 過大，螺旋角b不宜選得過大，常在b=820之 間選擇。,一、受力分析（方向）,圓周力：主動輪與轉(zhuǎn)向相反；從動輪與轉(zhuǎn)向相同。 徑向力：指向圓心。 軸向力：可用左、右手判斷。,一、受力分析（軸向力方向）,1）工作齒面法：嚙合力是工作齒面間的相互推力，主動輪的工作齒面是其前齒面（沿轉(zhuǎn)動方向相位靠前的齒面），從動輪的工作齒面是其后齒面，各

16、工作齒面所受的嚙合推力(包含其切向、徑向和軸向分量)必然自該齒面外方作用于該齒面。 2)握線法：對主動輪而言，左螺旋線用左手，右螺旋線用右手。握住主動輪軸線，除拇指外其余四指代表旋轉(zhuǎn)方向，拇指指向即主動輪軸向力方向，從動輪軸向力方向與其相反、大小相等。,一、受力分析,一、受力分析,螺旋角選擇,n,二、計(jì)算載荷,式中：L為所有嚙合輪齒上接觸線長度之和，即右圖中接觸區(qū)內(nèi)幾條實(shí)線長度之和。 嚙合過程中，由于嚙合線總長一般是變動的值，具體計(jì)算時可下式近似計(jì)算：,因此，,載荷系數(shù)的計(jì)算與直齒輪相同，即：KKA Kv K K,考慮接觸線傾斜對齒根受力的有利影響，引入螺旋角系數(shù)Y,YFa Ysa按當(dāng)量齒數(shù)z

17、v Y 根據(jù)螺旋角，查圖10-28,三、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算,與直齒輪相比，其特點(diǎn)： 總合力作用于法平面內(nèi) ； 重合度大；接觸線是傾斜的、變化的； 螺旋角對疲勞強(qiáng)度有利；,四、齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算,法面曲率半徑,端面曲率半徑,綜合曲率半徑,四、齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算,校核式,設(shè)計(jì)式,查圖10-30,例題,設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)減速器的高速級斜齒輪傳動。已知：P1=40kW，n1=960r/min， u=3.2，壽命15年，兩班制、平穩(wěn)、單向。,例題：,解：1.選精度等級、材料及齒數(shù) 采用硬齒面，大、小齒輪均用40Cr調(diào)質(zhì)及表面淬火，齒面硬4855HRc； 取z1=24，z2=uz1=77； 初選=14；7級精度；,例題：,2.按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì),.對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正,例題,3.按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì),例,分析計(jì)算結(jié)果,4.幾何尺寸 計(jì)算,.必要時須進(jìn)行修正（本題未作修正）,10-8 標(biāo)準(zhǔn)錐齒輪傳動的強(qiáng)度計(jì)算,圓錐齒輪傳動的特點(diǎn) 傳遞交叉軸的運(yùn)動，常用=90； 速比i；vm/s； 制造安裝精度較低； 小輪常懸臂安裝，剛度低。,10-8 標(biāo)準(zhǔn)錐齒輪傳動的強(qiáng)度計(jì)算,10-8 標(biāo)準(zhǔn)錐齒輪傳動的強(qiáng)度計(jì)算,一、直齒錐齒輪受力分析（大小）,10-8 標(biāo)準(zhǔn)錐齒輪傳動的強(qiáng)度計(jì)算,一、直齒錐齒輪受力分析（方向）,10-8 標(biāo)準(zhǔn)錐齒輪傳動的強(qiáng)度計(jì)算,二、直齒錐齒輪強(qiáng)度計(jì)算 1.齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算,直齒圓